DE102017121914A1

DE102017121914A1 - Sensorelement und Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements

Info

Publication number: DE102017121914A1
Application number: DE102017121914.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wilhelm; Matthäus Speck
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-03-21
Also published as: CN109655511B; US20190086357A1; CN109655511A; US11187668B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement umfassend:- eine Membran, insbesondere eine Polymermembran, welche einen ersten funktionalisierten Bereich und einen zweiten funktionalisierten Bereich aufweist, und- einen Sensorelementkörper, auf welchem die Membran aufliegt, wobei der Sensorelementkörper mindestens eine elektrisch leitfähige erste Ableitung und eine von der ersten Ableitung getrennte, insbesondere gegenüber der ersten Ableitung elektrisch isolierte, elektrisch leitfähige zweite Ableitung aufweist, und wobei die erste Ableitung mit dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähig verbunden ist, und wobei die zweite Ableitung mit dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähig verbunden ist.Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorelements, umfassend:- Herstellen einer Membran, insbesondere einer Polymermembran, welche mindestens einen ersten funktionalisierten Bereich und einen zweiten funktionalisierten Bereich aufweist;- Herstellen eines Sensorelementkörpers, welcher mindestens eine elektrisch leitfähige erste Ableitung und eine von der ersten Ableitung getrennte, insbesondere gegenüber der ersten Ableitung elektrisch isolierte, elektrisch leitfähige zweite Ableitung aufweist; und- Verbinden der ersten Ableitung mit dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran und der zweiten Ableitung mit dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran mittels einer elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähigen Verbindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements.
Zur Bestimmung von mit der Konzentration eines Analyten in einem Messmedium korrelierten Messgrößen, wie der Konzentration oder Aktivität des Analyten, der Konzentration oder Aktivität einer oder mehrerer Substanzen, die chemisch oder biochemisch zum Analyten umgesetzt werden, oder Summenparametem, die von der Konzentration mehrerer verschiedener Analyte abhängen, werden in der Analysemesstechnik regelmäßig Sensoren eingesetzt. Solche Sensoren können als Inline-Sensoren ausgestaltet sein, die in einen das Messmedium enthaltenden Prozessbehälter integriert werden und mit dem Messmedium direkt, z.B. durch Eintauchen, in Kontakt gebracht werden können. Als Messmedium kommt ein Fluid, z.B. eine Messflüssigkeit oder ein Messgas, in Frage. Das Messmedium kann eine den Analyten enthaltende Lösung sein oder ein Stoff- und/oder Phasengemisch, das feste, flüssige und gasförmige Phasen umfassen kann, z.B. eine Suspension, ein Gel, ein Schaum oder eine Emulsion.
Eine Gruppe solcher Inline-Sensoren sind beispielsweise potentiometrische Sensoren mit ionenselektiven Elektroden (Abkürzung: ISE), im Folgenden auch als ISE-Sensoren bezeichnet. Solche Sensoren können die Konzentration bzw. Aktivität von Ionen in einem Messmedium erfassen. Sie umfassen in der Regel eine als ionenselektive Elektrode ausgestaltete Messhalbzelle und eine Bezugshalbzelle sowie eine Sensorschaltung. Die Messhalbzelle bildet in Kontakt mit dem Messmedium ein von der Analytaktivität abhängiges Potential aus, während die Bezugshalbzelle ein stabiles, von der Konzentration des Analyten unabhängiges Bezugspotential bereitstellt. Die Sensorschaltung ist elektrisch leitfähig mit einem Ableitelement der Messhalbzelle und einem Bezugselement der Bezugshalbzelle verbunden und erzeugt ein Messsignal, das die Potentialdifferenz zwischen der Messhalbzelle und der Bezugshalbzelle repräsentiert. Das Messsignal wird von der Sensorschaltung gegebenenfalls an eine mit dem Sensor verbundene übergeordnete Einheit, beispielsweise einen Messumformer, ausgegeben, die das Messsignal weiter verarbeitet.
Die Bezugshalbzelle von ISE-Sensoren ist häufig als Elektrode zweiter Art ausgestaltet, deren Potential nur indirekt von der Zusammensetzung des Messmediums, insbesondere von der Aktivität des Analyten im Messmedium, abhängt. Ein Beispiel für eine solche als Elektrode zweiter Art ausgestaltete Bezugshalbzelle ist die Silber/Silberchlorid-Elektrode. Das bereits erwähnte, mit der Sensorschaltung verbundene Bezugselement der Bezugshalbzelle steht in Kontakt mit einem Bezugselektrolyten. Das Bezugselement ist aus einem Metall gebildet, wobei mindestens ein Teil der Oberfläche des Bezugselements eine Beschichtung aus einem schwer löslichen Salz des Metalls aufweist. Der Bezugselektrolyt ist in der Regel eine gesättigte Lösung dieses schwerlöslichen Salzes. Zusätzlich enthält der Bezugselektrolyt eine hohe Konzentration des Anions des schwerlöslichen Salzes, in der Regel in Form eines Alkalisalzes. Das Potential einer Elektrode zweiter Art hängt von der Konzentration des Kations des schwerlöslichen Salzes im Bezugselektrolyten ab. Aufgrund der sehr hohen Anionenkonzentration im Bezugselektrolyten bleibt die Konzentration des Kations des schwerlöslichen Salzes und somit das Potential der Bezugshalbzelle im Wesentlichen konstant. Der Bezugselektrolyt ist in einer in einem Bezugshalbzellengehäuse gebildeten Kammer aufgenommen. Zur Durchführung einer potentiometrischen Messung muss der Bezugselektrolyt mit dem Messmedium in elektrolytischem Kontakt stehen. Dieser Kontakt wird durch eine Überführung, die beispielsweise aus einer durch die Gehäusewand hindurchgehenden Bohrung, einem porösen Diaphragma oder einem Spalt bestehen kann, hergestellt.
Die als Messhalbzelle dienende ionenselektive Elektrode weist eine ionenselektive Membran auf. Die ionenselektive Membran kann beispielsweise als Polymermembran ausgestaltet sein, die mit einem lonentauscher oder einem lonophor funktionalisiert ist, das mit dem Analyten chemisch und/oder physikalisch wechselwirkt, z.B. indem es den Analyten komplexiert. Bei Kontakt der Membran mit dem Messmedium bildet sich an der Grenzfläche zwischen der Membranoberfläche zum Messmedium durch den Austausch des Analyten zwischen den an der Grenzfläche anliegenden Phasen eine von der Differenz der Aktivität des Analyten in dem Messmedium und in der Membran abhängige Potentialdifferenz aus. Diese bestimmt das Messhalbzellenpotential, das mittels einer die Membran elektrisch oder elektrolytisch leitend kontaktierenden Ableitung von der Sensorschaltung erfassbar ist.
Herkömmliche ISE-Sensoren weisen eine einzige als Messhalbzelle dienende ISE und eine Bezugshalbzelle auf. Mit einem solchen ISE-Sensor lässt sich somit nur eine einzige Messgröße, d.h. eine einzige lonenkonzentration bzw. -aktivität messen. Sollen mehrere Analyte in einem Messmedium überwacht werden, werden entsprechend mehrere derartiger ISE-Sensoren benötigt.
Aus EP 2 284 531 A1 ist eine Wasseranalyse-Tauchsonde bekannt, die mindestens zwei Sensoren zur Bestimmung verschiedener Wasser-Parameter umfasst, und die eine Sensormodulaufnahme mit mindestens zwei Sensormodul-Steckplätzen und mindestens zwei Sensormodule mit jeweils einem Sensor aufweist, wobei die Sensormodule in den Steckplätzen stecken. Die Sensormodule können ionenselektive Elektroden sein. Auf diese Weise kann für eine bestimmte Anwendung eine gewünschte Kombination an Sensoren für die Wasseranalyse-Tauchsonde zusammengestellt werden.
Wenn wie in EP 2 284 531 A1 beschrieben einzelne Sensormodule zur Messung unterschiedlicher Parameter in einer einzigen Tauchsonde zusammengefasst werden, benötigt die Tauchsonde doch immer noch relativ viel Platz. Hinzu kommt, dass der Aufbau der in EP 2 284 531 A1 beschriebenen Tauchsonde mit den einzelnen austauschbar ausgestalteten Sensormodulen relativ komplex und damit aufwändig und kostspielig herzustellen ist.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein miniaturisiertes Sensorelement anzugeben, das mit geringem Aufwand herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Sensorelement gemäß Anspruch 1, und das Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß Anspruch 16.
Das erfindungsgemäße Sensorelement umfasst:

- eine Membran, insbesondere eine Polymermembran, welche einen ersten funktionalisierten Bereich und einen zweiten funktionalisierten Bereich aufweist, und
- einen Sensorelementkörper, auf welchem die Membran aufliegt,

Dieser Aufbau mit einer Membran, die mindestens zwei oder mehrere funktionalisierte Bereiche aufweist, und die auf einem Sensorelementkörper aufliegt, ist konstruktiv sehr einfach und ermöglicht es, ein miniaturisiertes Sensorelement zur Verfügung zu stellen, in dem eine Vielzahl einzelner ionenselektiver Elektroden gebildet sind. Die Ableitungen dienen zur Ableitung des sich jeweils an einem funktionalisierten Teilbereich der Membran in Kontakt mit einem Messmedium einstellenden Potentials.
Unter einem funktionalisierten Bereich einer Membran wird ein Bereich der Membran verstanden, der in der Membran enthaltene Moleküle oder an die Membran gebundene funktionelle Gruppen umfasst, wobei die Moleküle oder die funktionellen Gruppen mit einem bestimmten Analyten, z.B. einem bestimmten Ion in physikalische oder chemische Wechselwirkung treten. Z.B. können die Moleküle oder funktionellen Gruppen den Analyten binden oder komplexieren oder mit dem Analyten eine chemische Reaktion eingehen. Aufgrund dieser Wechselwirkung des Analyten mit den in dem funktionalisierten Bereich der Membran vorliegenden Molekülen oder funktionellen Gruppen kann es an der Grenzfläche zwischen diesem Teilbereich der Membran und einem den Teilbereich der Membran berührenden Messmedium zur Ausbildung des von der Aktivität des Analyten in dem Messmedium abhängigen Potentials kommen, das an der Ableitung gegen ein Bezugspotential, insbesondere stromlos, erfassbar ist. Die so gebildeten mindestens zwei, insbesondere mehreren, ionenselektiven Elektroden können entsprechend jeweils zusammen mit einem Bezugselement, das ein Bezugspotential liefert, einen potentiometrischen ISE-Sensor bilden.
Der erste funktionalisierte Bereich der Membran des erfindungsgemäßen Sensorelements kann also in der Membran enthaltene erste Moleküle oder an die Membran gebundene erste funktionelle Gruppen umfassen, welche mit einem ersten Analyten in physikalische oder chemische Wechselwirkung treten, und der zweite funktionalisierte Bereich kann entsprechend in der Membran enthaltene zweite Moleküle oder an die Membran gebundene zweite funktionelle Gruppen umfassen, welche einen vom ersten Analyten verschiedenen zweiten Analyten in physikalische oder chemische Wechselwirkung treten. Bei dem ersten oder zweiten Analyten kann es sich um ein Ion handeln, beispielsweise kann der erste Analyt ein erstes Ion sein, das von dem zweiten Analyten, der ein zweites Ion sein kann, verschieden ist. Dann kann es sich entsprechend bei den ersten oder zweiten Molekülen jeweils um ein auf den ersten bzw. den zweiten Analyten abgestimmtes lonophor handeln.
Beispielsweise können die ersten Moleküle oder die ersten funktionellen Gruppen von den zweiten Molekülen oder den zweiten funktionellen Gruppen verschiedene chemische Zusammensetzungen aufweisen. Dies erlaubt die Bestimmung der Konzentrationen oder Aktivitäten unterschiedlicher ionischer Analyte oder eines einzigen ionischen Analyts mittels unterschiedlich funktionalisierter Membranbereiche ein und desselben Sensorelements. Es ist aber auch möglich, dass die ersten Moleküle oder die ersten funktionellen Gruppen und die zweiten Moleküle und die zweiten funktionellen Gruppen dieselbe chemische Zusammensetzung aufweisen.
In einer ersten Ausgestaltung können die Ableitungen als Festableitungen die funktionalisierten Bereiche der Membran über ein elektrisch und/oder ionisch leitfähiges Polymer elektrisch kontaktieren. In einer alternativen zweiten Ausgestaltung können die Ableitungen mit den funktionalisierten Bereichen der Membran über eine flüssige, ggfs. durch einen Polymerzusatz angedickte Elektrolytlösung elektrolytisch leitend verbunden sein. Ein Ladungstransport zwischen der Membran und der elektrisch leitfähigen Ableitung erfolgt in diesem Fall über die Elektrolytlösung.
In einer ersten Variante der ersten Ausgestaltung kann der Sensorelementkörper eine Oberfläche aufweisen, auf der eine Polymerschicht angeordnet ist, wobei die Polymerschicht mindestens einen elektrisch und/oder ionisch leitfähigen ersten Teilbereich und einen elektrisch und/oder ionisch leitfähigen zweiten Teilbereich aufweist, und wobei die Membran auf der Polymerschicht aufliegt, und der erste Teilbereich der Polymerschicht den ersten funktionalisierten Bereich der Membran berührt und der zweite Teilbereich der Polymerschicht den zweiten funktionalisierten Bereich der Membran berührt.
Der erste und der zweite Teilbereich der Polymerschicht können aus einem dotierten, intrinsisch leitfähigen Polymer gebildet sein. Zwischen den Teilbereichen angeordnete Bereiche der Polymerschicht können elektrisch isolierend sein oder zumindest eine erheblich geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als die dotierten Teilbereiche der Polymerschicht. Auf diese Weise sind der erste und der zweite Teilbereich gegeneinander elektrisch isolierbar.
Als intrinsisch leitfähiges Polymer kommt hier beispielsweise ein intrinsisch leitfähiges Polythiophen oder Polythiophenderivat, ein intrinsisch leitfähiges Polyanilin oder Polyanilinderivat, ein intrinsich leitfähiges Polypyrrol oder Polypyrrolderivat, eine intrinsisch leitfähiges Polyparaphenylen oder Polyparaphenylenderivat in Frage. Als vorteilhaft hat sich PEDOT:PSS, mit Polystyrolsulfonat dotiertes Poly-3,4-ethylendioxythiophen, erwiesen.
Alternativ kann die Polymerschicht durch mindestens zwei inselförmige, voneinander getrennte und gegeneinander elektrisch isolierte Schichtelemente aus einem elektronisch und/oder ionisch leitfähigen Polymer gebildet sein, wobei ein erstes inselförmiges Schichtelement den ersten Teilbereich der Polymerschicht bildet, und ein zweites inselförmiges Schichtelement den zweiten Teilbereich der Polymerschicht bildet. Zwischen den inselförmigen Schichtelementen können isolierende Stege aus einem anderen Material, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Polymermaterial, angeordnet sein, um die inselförmigen Schichtelemente gegeneinander elektrisch zu isolieren.
Die Polymerschicht kann zum Beispiel als geschlossene Schicht aus einem intrinsisch leitfähigen Polymer gebildet sein, die in dem ersten Teilbereich und in dem zweiten Teilbereich dotiert ist, so dass sie im ersten Teilbereich elektrisch und/oder ionisch leitfähig ist. Zwischen den dotierten Teilbereichen angeordnete Bereiche der geschlossenen Schicht sind in diesem Fall nicht dotiert, und weisen eine entsprechend erheblich geringere elektrische Leitfähigkeit auf als die dotierten Teilbereiche, sie sorgen somit für eine elektrische Isolierung des ersten und des zweiten Teilbereichs gegeneinander.
Der Sensorelementkörper kann eine im Wesentlichen plane Oberfläche aufweisen, in der mindestens zwei, voneinander getrennte Kavitäten bildende, Vertiefungen ausgebildet sind, wobei die Membran gegen die im wesentlichen plane Oberfläche des Sensorelementkörpers anliegt und die Kavitäten verschließt, und wobei eine erste der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich des ersten funktionalisierten Bereichs der Membran und eine zweite der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich des zweiten funktionalisierten Bereichs der Membran überdeckt wird.
Ein derartig ausgestalteter Sensorelementkörper kann zur Realisierung einer elektrolytisch mit einem funktionalisierten Bereich der Membran gemäß der oben erwähnten zweiten Ausgestaltung der Ableitung dienen. Er kann auch zur Realisierung einer weiteren Variante einer Festableitung verwendet werden.
So kann das Sensorelement ein die erste Kavität ausfüllendes, den ersten funktionalisierten Bereich der Membran rückseitig berührendes erstes elektronisch und/oder ionisch leitfähiges Polymer, und ein die zweite Kavität ausfüllendes, den zweiten funktionalisierten Bereich der Membran rückseitig berührendes zweites elektronisch und/oder ionisch leitfähiges Polymer umfassen, wobei die erste Ableitung in Kontakt mit dem ersten Polymer steht und die zweite Ableitung in Kontakt mit dem zweiten Polymer steht, und wobei die erste und die zweite Ableitung jeweils mit einer außerhalb der Kavität angeordneten elektrischen Kontaktierungsstelle, insbesondere mit einem elektrischen Steckverbinderelement, elektrisch leitend verbunden sind. Auch in dieser Variante kommt als erstes und/oder zweites Polymer ein dotiertes, intrinsisch leitfähiges Polymer in Frage, insbesondere eines der weiter oben genannten.
Alternativ kann das Sensorelement einen in der ersten Kavität enthaltenen, den ersten funktionalisierten Bereich der Membran rückseitig berührenden ersten Innenelektrolyten und einen in der zweiten Kavität enthaltenen, den zweiten funktionalisierten Bereich der Membran rückseitig berührenden zweiten Innenelektrolyten umfassen, wobei die erste Ableitung in Kontakt mit dem ersten Innenelektrolyten steht, und die zweite Ableitung in Kontakt mit dem zweiten Innenelektrolyten steht, und wobei die erste und die zweite Ableitung jeweils mit einer außerhalb der Kavität angeordneten elektrischen Kontaktierungsstelle, insbesondere mit einem elektrischen Steckverbinderelement, elektrisch leitend verbunden sind.
Die erste und die zweite Ableitung selbst können beispielsweise einen als Leiterbahn auf der Oberfläche des Sensorelementkörpers ausgestalteten Abschnitt aufweisen, welcher mit der Polymerschicht in Kontakt steht und elektrisch leitend mit einer Konktaktstelle auf einer von der Membran abgewandten Seite des Sensorelementkörpers verbunden ist.
Der Sensorelementkörper kann eine Grundplatte und eine auf einer Vorderseite der Grundplatte angeordnete, die Kavitäten bildende Struktur umfassen, welche mit der Grundplatte verbunden ist, und wobei die erste und die zweite Ableitung jeweils über eine durch die Grundplatte verlaufende Durchkontaktierung mit der elektrischen Kontaktierungsstelle elektrisch leitend verbunden sind. Die elektrische Kontaktierungsstelle kann beispielsweise ein Steckverbinderelement sein.
Das Sensorelement kann eine Stützstruktur umfassen, wobei die Membran zwischen der Oberfläche des Sensorelementkörpers und der gegen eine von der Oberfläche des Sensorelementkörpers abgewandte Membranrückseite anliegenden Stützstruktur befestigt ist, wobei die Stützstruktur Bereiche der Membran, welche Kavitäten überdecken, mindestens teilweise freilässt.
Vorteilhaft kann der Sensorelementkörper eine Vielzahl von elektronisch leitfähigen, gegeneinander elektrisch isolierten Ableitungen aufweisen, wobei die Membran eine Vielzahl von funktionalisierten Bereichen umfasst, und wobei jeder der funktionalisierten Bereiche elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähig mit jeweils einer der Ableitungen verbunden ist. In dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass die funktionalisierten Bereiche der Membran jeweils unterschiedlich funktionalisiert sind, d.h. unterschiedliche Moleküle oder funktionelle Gruppe umfassen, so dass Konzentrationen bzw. Aktivitäten einer Vielzahl unterschiedlicher Ionen mittels des Sensorelements erfassbar sind. Es ist auch möglich, dass mindestens zwei Bereiche derart funktionalisiert sind, dass die in den Bereichen vorliegenden Moleküle oder funktionellen Gruppen zwar voneinander verschieden sind, aber denselben Analyten binden oder komplexieren. Dies erlaubt die Ermittlung zweier Messwerte für dieselbe Analytkonzentration oder-aktivität, die gegeneinander referenziert und/oder zu Plausibilitätsbetrachtungen verwendet werden können. Alle hier anhand eines Sensorelements, dessen Membran einen ersten und einen zweiten funktionalisierten Teilbereich aufweist, beschriebenen Ausgestaltungen und Ausgestaltungsvarianten sind entsprechend auf ein Sensorelement mit einer Membran, die eine Vielzahl solcher funktionalisierter Teilbereiche und eine entsprechende Anzahl von Ableitungen aufweist, übertragbar.
Der Sensorelementkörper kann z.B. eine Vielzahl von Vertiefungen aufweisen, welche voneinander getrennte Kavitäten bilden, wobei die Membran eine Vielzahl von funktionalisierten Bereichen umfasst, und wobei die Membran derart mit dem Sensorelementkörper verbunden ist, dass jede der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich eines funktionalisierten Bereichs der Membran überdeckt ist. Jede der Kavitäten kann außerdem eine Ableitung zur Ableitung eines sich an der Grenzfläche der Membran zu einem Messmedium einstellenden Halbzellenpotentials umfassen.
Der Sensorelementkörper kann in dieser eine Vielzahl von Kavitäten aufweisenden Ausgestaltung beispielsweise eine zweidimensional wabenartige Struktur aufweisen. Beispielsweise können die Kavitäten jeweils einen hexagonalen oder quadratischen Querschnitt aufweisen, wobei jeweils benachbarte Kavitäten mindestens eine gemeinsame Seitenwand besitzen. Die Kavitäten können auch einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Kavitäten in einer quadratischen Anordnung oder in einer zweidimensionalen hexagonal dichtesten Packung nebeneinander angeordnet sind. Die Kavitäten können auch als Wabenstruktur in einer hexagonalen Anordnung ausgebildet sein.
Der Sensorelementkörper kann weiter mindestens eine Bezugshalbzelle umfassen, die ein Bezugspotential zur Verfügung stellt, gegen das die Potentiale der einzelnen ionenselektiven Elektroden, die durch die funktionalisierten Bereich der Membran und die zugehörigen Ableitungen gebildet sind, erfassbar sind.
Die Bezugshalbzelle kann dadurch realisiert sein, dass das Sensorelement eine von der Membran abgedeckte Kavität aufweist, welche eine Bezugshalbzelle bildet. Diese Kavität kann von einem nicht funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt sein, wobei der die Kavität überdeckende Bereich der Membran eine oder mehrere Öffnungen, z.B. eine oder mehrere Poren, aufweist, über die ein in der Kavität enthaltener Bezugselektrolyt mit einem mit der Membran in Kontakt stehenden Messmedium in elektrolytischem Kontakt steht. In der als Bezugshalbzelle ausgestalteten Kavität kann ein, insbesondere metallisches, Bezugselement angeordnet sein, welches zur Ableitung des Bezugspotentials ausgestaltet ist.
Die Bezugshalbzelle kann auch dadurch realisiert sein, dass die Membran einen Teilbereich umfasst, der mit einem lonentauscher und/oder einem Leitsalz imprägniert ist, und dass das Sensorelement eine zusätzliche elektrisch leitfähige Ableitung umfasst, die über ein dotiertes, intrinsisch leitfähiges Polymer mit der Membran elektrisch und/oder ionisch leitend verbunden ist. Bei dem Polymer kann es sich beispielsweise um eines der oben genannten dotierten intrinsisch leitfähigen Polymere handeln. Diese Variante der Bezugshalbzelle ist besonders geeignet für die Kombination mit den voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen der ionenselektiven Elektroden mit Festableitung.
Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement eine die Funktion der Bezugshalbzelle übernehmende Hilfselektrode, z.B. eine Pseudoreferenzelektrode wie beispielsweise ein metallisches Potentialableitelement, umfassen. Die Hilfselektrode kann aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie einem Metall, z.B. Silber, einer Metalllegierung, z.B. Edelstahl, oder Graphit gebildet sein. Sie kann z.B. in Form eines am Sensorelement oder einem Sensorgehäuseteil befestigten Stifts oder Drahts realisiert sein. Die Hilfselektrode kann auch ein elektrisch leitfähiges Gehäuseteil sein, das mit dem Messmedium zur Messung in Kontakt gebracht werden kann. Vorteilhaft kann die Hilfselektrode bzw. die Pseudoreferenzelektrode in den Sensorelementkörper eingebettet sein, beispielsweise durch Einspritzen. Dabei lässt der Sensorelementkörper mindestens eine Fläche der Hilfselektrode bzw. Pseudoreferenzelektrode frei, die zur Messung mit einem Messmedium in Kontakt gebracht werden kann.
Diese Ausgestaltung ist noch einfacher herstellbar als die voranstehend beschriebene Ausgestaltung, bei der das Sensorelement eine in einer Kavität angeordnete, als Elektrode zweiter Art ausgestaltete Bezugshalbzelle umfasst, und kann beispielsweise vorteilhaft eingesetzt werden, wenn eine oder mehrere der als Messhalbzellen dienenden ionenselektiven Elektroden eine lonenart erfassen, deren Konzentration im Messmedium als im Wesentlichen konstant angenommen werden kann. Auch wenn mit dem Sensorelement lediglich ein Konzentrationsverhältnis verschiedener Analyte bestimmt werden soll, ist eine solche Pseudo-Referenz ausreichend, da hierzu lediglich die einzelnen Spannungen zwischen den einzelnen Messhalbzellen und der Pseudo-Referenz zueinander ins Verhältnis gesetzt werden müssen.
Ist eine solche Hilfselektrode oder Pseudo-Referenzelektrode zusätzlich zu einer als Elektrode zweiter Art ausgestalteten Bezugshalbzelle vorhanden, kann der Sensor zusätzlich zur Bestimmung der Haupt-Messgrößen, z.B. einer oder mehrerer Analytkonzentrationen, zur Erfassung eines Redoxpotentials ausgestaltet sein. Das Sensorelement kann auch mehrere Hilfselektroden aufweisen, insbesondere zwei oder vier identisch ausgestaltete Hilfselektroden. Diese können zum einen durch redundante Messungen eine höhere Verlässlichkeit des Messergebnisses gewährleisten. Zum anderen kann der Sensor zusätzlich dazu ausgestaltet sein, mittels der Hilfselektroden oder Potentialableitelemente die Leitfähigkeit des Messmediums zu ermitteln.
Der Sensorelementkörper kann, insbesondere in Stegen zwischen den Kavitäten oder an Stellen, die unterhalb von Bereichen der Membran angeordnet sind, welche nicht funktionalisiert sind, weitere Funktionselemente enthalten, beispielsweise einen Temperatursensor, Lichtleiterfasern oder, insbesondere im später nicht von der Membran bedeckten Außenbereich, elektrisch leitfähige Bereiche, die beispielsweise als Hilfselektroden dienen können. Als im Sensorelementkörper integrierte Temperatursensoren kommen NTC-, PT100-, oder PT1000-Elemente in Frage.
Die Erfindung beinhaltet auch einen Sensor mit einem Sensorelement nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen und einem Sensorkörper, wobei der Sensorkörper ein mit dem Sensorelement, insbesondere wieder lösbar, verbundenes Gehäuse und eine mindestens zum Teil in dem Gehäuse angeordnete Sensorschaltung umfasst, wobei die Sensorschaltung elektrisch leitend mit der ersten Ableitung und der zweiten Ableitung und mit einer Bezugshalbzelle verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, anhand einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Ableitung und der Bezugshalbzelle ein von einer Konzentration eines ersten Analyten in einem das Sensorelement berührenden Messmedium abhängiges erstes Messsignal zu erzeugen und anhand einer Potentialdifferenz zwischen der zweiten Ableitung und der Bezugshalbzelle ein von einer Konzentration eines zweiten Analyten in dem Messmedium abhängiges zweites Messsignal zu erzeugen.
Die Bezugshalbzelle kann beispielsweise eine Bezugselektrode, insbesondere eine als Bezugselektrode zweiter Art ausgebildete, Bezugselektrode nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen, oder eine als Pseudoreferenzelektrode dienende Hilfselektrode, z.B. nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen, sein. Die Hilfselektrode muss nicht notwendigerweise Bestandteil des Sensorelements sein, sie kann auch am Sensorkörper angeordnet, ein Bestandteil des Sensorkörpers oder eine eigenständige, mit der Sensorschaltung verbundene aber vom Sensorkörper abgesetzte, in das Messmedium eintauchbare Elektrode sein.
Die Sensorschaltung kann dazu ausgestaltet sein, das erste und zweite Messsignal weiter zu verarbeiten oder an eine mit der Sensorschaltung drahtgebunden oder drahtlos verbundene weitere Datenverarbeitungseinrichtung, z.B. einen Messumformer oder ein Bediengerät, auszugeben. Die Sensorschaltung kann vollständig im Gehäuse des Sensorkörpers angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass ein Teil der Sensorschaltung in einem zweiten Gehäuse, das abgesetzt von dem Sensorkörper angeordnet ist, enthalten ist.
Die Sensorschaltung kann weiter dazu ausgestaltet sein, intermittierend von einem Messbetrieb, in dem die Sensorschaltung Messsignale erzeugt, in einen Regenerationsbetrieb versetzt zu werden, wobei die Sensorschaltung dazu eingerichtet ist, im Regenerationsbetrieb zwischen dem Bezugselement oder einer zusätzlichen Hilfselektrode und der ersten und/oder der zweiten Ableitung eine vorgegebene Spannung anzulegen. Auf diese Weise können, insbesondere bei den beschriebenen Ausgestaltungen des Sensorelements mit Festableitungen, an der Membran auftretende störende Polarisationseffekte kompensiert werden.
Die Membran kann, insbesondere in den funktionalisierten Bereichen, einen Farbstoff umfassen. Der Farbstoff kann zum einen dazu dienen, die funktionalisierten Bereiche zu kennzeichnen und gegebenenfalls voneinander zu unterscheiden, wenn unterschiedliche Farbstoffe für unterschiedliche funktionalisierte Bereiche verwendet werden. Zum anderen kann der Farbstoff auch dazu dienen, eine Alterung der Membran zu überwachen. In diesem Fall ist der Farbstoff so ausgewählt, dass er mit der Zeit in Kontakt mit einem Messmedium, z.B. in Kontakt mit einer wässrigen Lösung, aus der Membran ausgewaschen wird. Die Abnahme der Farbintensität oder einer anderen optischen Eigenschaft des Farbstoffs ist dann ein Maß für die aus der Membran ausgewaschene Menge des Farbstoffs und gleichzeitig ein Maß für das Alter des Sensorelements. Vorteilhaft kann der Sensorkörper zur Überwachung der Farbintensität bzw. der optischen Eigenschaften des Farbstoffs einen optischen Messaufnehmer umfassen. Der optische Messaufnehmer kann beispielsweise einen Strahlungssender und einen Strahlungsempfänger umfassen, wobei von dem Strahlungssender ausgestrahlte Messstrahlung in der Membran durch Wechselwirkung mit dem Farbstoff gewandelt wird und gewandelte Messstrahlung vom Strahlungsempfänger erfasst wird, um die Farbintensität oder eine andere optische Eigenschaft des in der Membran enthaltenen Farbstoffs zu erfassen. Die Sensorschaltung kann dazu ausgestaltet sein, anhand eines Strahlungsempfängersignals ein Alter oder einen Zustand des Sensorelements zu ermitteln und/oder eine Vorhersage für die verbleibende Lebensdauer des Sensorelements zu treffen.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, insbesondere eines Sensorelements nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Herstellen einer Membran, insbesondere einer Polymermembran, welche mindestens einen ersten funktionalisierten Bereich und einen zweiten funktionalisierten Bereich aufweist;
- Herstellen eines Sensorelementkörpers, welcher mindestens eine elektrisch leitfähige erste Ableitung und eine von der ersten Ableitung getrennte, insbesondere gegenüber der ersten Ableitung elektrisch isolierte, elektrisch leitfähige zweite Ableitung aufweist; und
- Verbinden der ersten Ableitung mit dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran und der zweiten Ableitung mit dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran mittels einer elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähigen Verbindung.

Das Herstellen der Membran kann folgende Schritte umfassen:

- Imprägnieren einer Rohmembran in einem ersten Bereich mit einem ersten Funktionalisierungsreagenz, insbesondere einem ein erstes lonophor umfassenden Funktionalisierungsreagenz, zur Bildung des ersten funktionalisierten Bereichs, und
- Imprägnieren der Rohmembran in einem zweiten Bereich mit einem zweiten Funktionalisierungsreagenz, insbesondere einem ein zweites lonophor umfassenden Funktionalisierungsreagenz, zur Bildung des zweiten funktionalisierten Bereichs.

Zur Durchführung dieser Imprägnierungsschritte kann die Rohmembran in einer Mikrofluidikstruktur angeordnet werden, welche einen ersten Fluidraum aufweist, der durch den ersten Bereich der Rohmembran verschlossen wird, und einen zweiten Fluidraum aufweist, der durch den zweiten Bereich der Rohmembran verschlossen wird. Das erste Funktionalisierungsreagenz kann durch den ersten Fluidraum zur Rohmembran geleitet werden und das zweite Funktionalisierungsreagenz kann durch den zweiten Fluidraum zu Rohmembran geleitet werden.
Die Mikrofluidikstruktur kann zur Imprägnierung einer Vielzahl von Bereichen der Rohmembran jeweils eine Vielzahl solcher Fluidräume aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind.
Das Imprägnieren der Rohmembran im ersten und im zweiten Bereich der Rohmembran und ggfs. in weiteren Bereichen der Rohmembran kann gleichzeitig erfolgen. Alternativ können die einzelnen zu funktionalisierenden Bereiche der Membran nacheinander imprägniert werden.
Die Mikrofluidikstruktur kann einen Fluidikkörper umfassen, welcher eine im wesentlichen plane Oberfläche aufweist, die gegen eine Vorderseite der Rohmembran anliegt, und in welcher eine erste, den ersten Fluidraum bildende Vertiefung und eine zweite, den zweiten Fluidraum bildende Vertiefung gebildet sind. Zur Imprägnierung weiterer Bereiche der Rohmembran kann der Fluidikkörper eine der Anzahl der zu imprägnierenden weiteren Bereiche entsprechende Vielzahl von Fluidräumen aufweisen. In diesem Fall werden weitere Funktionalisierungsreagenzien durch diese weiteren Fluidräume zur Rohmembran geleitet. Sind weitere Fluidräume vorhanden, können diese identisch ausgebildet sein wie der erste und der zweite Fluidraum. In die die Fluidräume bildende Vertiefungen können in dem Fluidikkörper gebildete Zu- und Ableitkanäle für die Funktionalisierungsreagenzien münden. Zusätzlich kann die Mikrofluidikstruktur einen Basiskörper mit einer im Wesentlichen planen Oberfläche umfassen, welche gegen eine Rückseite der Rohmembran anliegt, so dass die Rohmembran zwischen dem Fluidikkörper und dem Basiskörper gehalten wird.
Der Basiskörper kann eine erste Fluidaufnahme oder eine erste Flüssigkeitsableitung umfassen, welche mindestens von einem Teilbereich des ersten funktionalisierten Bereichs der Rohmembran abgedeckt wird, und wobei der Basiskörper eine zweite Fluidaufnahme oder eine zweite Flüssigkeitsableitung umfasst, welche mindestens von einem Teilbereich des zweiten funktionalisierten Bereichs der Rohmembran abgedeckt wird. Funktionalisierungsreagenz, welches beim Imprägnieren durch die Rohmembran hindurchtritt, gelangt so in die Fluidaufnahmen oder die Flüssigkeitsableitungen und kann von dort, z.B. in einen oder mehrere Sammelbehälter, abgeleitet werden. Werden das erste und das zweite Funktionalisierungsreagenz und ggfs. weitere Funktionalisierungsreagenzien getrennt voneinander in verschiedenen Sammelbehältern gesammelt, ist eine Wiederaufbereitung und/oder eine Wiederverwendung möglich. Vorteilhaft kann während des Imprägnierens der Rohmembran durch Zuleiten von Funktionalisierungsreagenzien zu den zu imprägnierenden Bereichen der Rohmembran an die Fluidaufnahmen oder Flüssigkeitsableitungen im Basiskörper ein Unterdruck erzeugt werden, um die Funktionalisierungsreagenzien durch die Rohmembran hindurch in die Fluidaufnahmen oder Flüssigkeitsableitungen zu saugen.
Das Herstellen des Sensorelementkörpers kann folgende Schritte umfassen:

- Aufbringen einer Polymerschicht auf einer mindestens einen ersten und einen zweiten Leiter, z.B. in Form von Leiterbahnen, als erste und zweite Ableitung aufweisenden Oberfläche eines Grundkörpers;
- Dotieren der Polymerschicht in einem ersten Teilbereich, welcher den ersten Leiter mindestens teilweise abdeckt, und in einem von dem ersten Teilbereich getrennten zweiten Teilbereich, welcher den zweiten Leiter mindestens teilweise abdeckt; und
- Auflegen der Membran auf die Polymerschicht derart, dass der erste Teilbereich von dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird und dass der zweite Teilbereich von dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird.

Alternativ kann das Herstellen des Sensorelementkörpers folgende Schritte umfassen:

- Aufbringen einer Polymerschicht, die aus mindestens zwei inselförmigen, voneinander getrennten und gegeneinander elektrisch isolierten Schichtelementen aus einem elektrisch und/oder ionisch leitfähigen Polymer gebildet wird, auf einer mindestens einen ersten und einen zweiten Leiter, z.B. in Form von Leiterbahnen, als erste und zweite Ableitung aufweisenden Oberfläche eines Grundkörpers, wobei ein erstes inselförmiges Schichtelement mit dem ersten Leiter in Kontakt steht, und ein zweites inselförmiges Schichtelement mit dem zweiten Leiter in Kontakt steht; und
- Auflegen der Membran auf die Polymerschicht derart, dass das erste inselförmige Schichtelement von dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird und dass das zweite inselförmige Schichtelement von dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird.

Die dotierten Bereiche der Polymerschicht bzw. die inselförmigen, voneinander getrennten Schichtelemente können aus einem dotierten intrinsch leitfähigen Polymer, z.B. einem der weiter oben genannten Polymere gebildet sein.
Das Herstellen des Sensorelementkörpers kann das Erzeugen einer Kavitäten bildenden Struktur auf einer Grundplatte umfassen, insbesondere mittels 3D-Druck oder Spritzguss. Das Herstellen des Sensorelementkörpers kann außerdem das Integrieren eines als Bezugshalbzelle in Form einer Pseudoreferenzelektrode dienenden elektrischen Leiters in den Sensorelementkörper, z.B. durch ein Mehrkomponentendruckverfahren oder ein Mehrkomponentenspritzgussverfahren oder durch Umspritzen des elektrischen Leiters umfassen.
Vorteilhaft können auf einer Vorderseite der Grundplatte mindestens zwei zur Bildung der Ableitungen des Sensorelements bestimmte elektrische Leiter angeordnet sein, die über in der Grundplatte angeordnete Durchkontaktierungen elektrisch leitend mit auf einer Rückseite der Grundplatte angeordneten Kontaktierungsstellen elektrisch leitend verbunden sind, wobei das Erzeugen der die Kavitäten bildenden Struktur das Bilden von die elektrischen Leiter umgebenden Kavitätenwandungen umfasst, so dass in jeder Kavität mindestens ein elektrischer Leiter angeordnet ist. Die elektrischen Leiter können beispielsweise aus einem Metall oder aus Graphit bestehen.
Die Kavitäten können in einem weiteren Schritt mit einem, insbesondere flüssigen, Innenelektrolyt gefüllt werden. Dies erfolgt vorzugsweise blasenfrei. Der Innenelektrolyt kann auch mittels eines Polymer-Zusatzes angedickt werden, so dass er zähflüssig oder nicht mehr fließfähig ist.
Alternativ können die Kavitäten mit einem elektrisch und/oder ionisch leitfähigen Polymer, z.B. einem dotierten, intrinsisch leitfähigen Polymer, gefüllt werden, derart, dass das leitfähige Polymer die Kavität bis zum Rand ausfüllt und den in der Kavität angeordneten elektrischen Leiter kontaktiert.
Abschließend werden die Kavitäten durch die gegen die im Wesentlichen plane Oberfläche anliegende Membran verschlossen, wobei eine erste der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich des ersten funktionalisierten Bereichs der Membran und eine zweite der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich des zweiten funktionalisierten Bereichs der Membran überdeckt wird.
Der oben Verfahrensschritt des Verschließens der Kavitäten kann das Befestigen der Membran zwischen der Oberfläche des Sensorelementkörpers und einem gegen eine von der Oberfläche des Sensorelementkörpers abgewandte Membranrückseite anliegenden Stützgerüst umfassen.
Die Herstellung des Sensorelements kann weiter die Herstellung mindestens einer in das Sensorelement integrierten Bezugshalbzelle umfassen. Hierzu umfasst der Sensorkörper mindestens eine weitere Kavität, die zur Bildung der Bezugshalbzelle bestimmt ist. Beim Verschließen der Kavitäten des Sensorkörpers durch die Membran wird die Membran so mit Bezug auf den Sensorkörper orientiert, dass die mindestens eine weitere Kavität von einem nicht funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird. In einem weiteren Schritt wird die Membran in dem die mindestens eine weitere Kavität überdeckenden Bereich perforiert zur Erzeugung einer Überführung (Junktur) zwischen einem im Inneren der Kavität enthaltenen Bezugselektrolyten und einem die Membran von außen kontaktierenden Messmedium. Vor dem Verschließen der Kavitäten des Sensorkörpers kann die mindestens eine weitere Kavität mit einem Bezugselektrolyten befüllt werden. Der Bezugselektrolyt kann flüssig oder mittels eines Polymers angedickt, insbesondere nicht fließfähig, sein.
Alternativ oder zusätzlich zu der Bezugshalbzelle kann das Sensorelement eine Hilfselektrode umfassen. Diese kann als Bezugselektrode bzw. als Pseudoreferenz dienen. Alternativ oder zusätzlich kann die Hilfselektrode in einem intermittierenden Regenerationsbetrieb eingesetzt werden, wie weiter oben beschrieben. Die Hilfselektrode kann beispielsweise als in den Sensorelementkörper integrierter metallischer Leiter oder als auf den Sensorelementkörper aufgebrachte metallische Beschichtung ausgestaltet und mit der Sensorschaltung verbunden werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnitt-Darstellung einer Anordnung zur Funktionalisierung einer Rohmembran in mindestens zwei voneinander getrennten Bereichen;
2a, 2b), 2c) und 2d) eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensorelements mit mehreren ionenselektiven Elektroden;
3 eine schematische Darstellung eines Sensors mit einem austauschbaren Sensorelement zur Bestimmung von mindestens zwei verschiedenen Messgrößen nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung eines Sensorelements mit einer Vielzahl von ionenselektiven Elektroden und einer Bezugshalbzelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung eines Sensors mit einem austauschbaren Sensorelement zur Bestimmung von mindestens zwei verschiedenen Messgrößen nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung eines Sensorelements nach einem vierten Ausführungsbeispiel; und
7 eine schematische Darstellung eines Sensorelements nach einem fünften Ausführungsbeispiel.

In 1 ist schematisch eine Schnittdarstellung einer Anordnung 1 zur Funktionalisierung einer Rohmembran 2 in einem ersten Bereich 3 und einem davon getrennten zweiten Bereich 4 dargestellt. Die Anordnung 1 umfasst einen Basiskörper 5 und einen Fluidikkörper 6, zwischen denen die Rohmembran 2 fixiert ist. Eine Vorderseite der Rohmembran 2 liegt dabei gegen eine Oberfläche des Fluidikkörpers 6 an, während die Rückseite der Rohmembran 2 gegen eine dem Fluidikkörper 6 gegenüberliegende Seite des Basiskörpers 5 anliegt. Die Rohmembran 2 kann beispielsweise eine Polymermembran, z.B. aus PVC, Silikon, Polyacrylat, Polyuretan oder Teflon, sein.
In der gegen die Vorderseite der Rohmembran 2 anliegenden Oberfläche des Fluidikkörpers 6 sind eine erste Vertiefung 7 und eine zweite Vertiefung 8 ausgebildet, die von der Rohmembran 2 verschlossen werden. In die erste Vertiefung 7 münden eine Zuleitung 9 und eine Ableitung 10 über die ein erstes Funktionalisierungsreagenz in den durch die Rohmembran 2 und die Vertiefung 7 gebildeten Fluidraum eingeleitet und wieder aus diesem abgeleitet werden kann. Die Fluidleitungen 7, 8 sind als Kanäle in dem Fluidikkörper 6 ausgebildet. In die Vertiefung 8 münden entsprechend eine Zuleitung 11 und eine Ableitung 12, über die in den zwischen der Vertiefung 8 und der Rohmembran 2 gebildeten Fluidraum ein zweites Funktionalisierungsreagenz eingeleitet und wieder aus dem Fluidraum entfernt werden kann. Die erste Vertiefung 7 und die zweite Vertiefung 8 können identisch, beispielsweise mit kreisförmigem, hexagonalem, rechteckigem oder quadratischem Querschnitt, ausgestaltet sein. Der Querschnitt der Vertiefungen 7 und 8 bestimmt die Form der mittels der Funktionalisierungsreagenzien funktionalisierten Bereiche 3 und 4 der Rohmembran 2.
In dem Basiskörper 5 sind eine erste Fluidaufnahme 13 und eine zweite Fluidaufnahme 14 ausgebildet, die jeweils zur Rohmembran 2 hin offen sind. In die erste Fluidaufnahme 13 mündet eine erste Fluidleitung 15, in die zweiten Fluidaufnahme 14 mündet eine zweite Fluidleitung 16. Die Fluidleitungen 15, 16 verbinden die ersten und die zweiten Fluidaufnahme 13, 14 mit einem Sammelbehälter 17 und können zumindest abschnittsweise als Kanäle innerhalb des Basiskörpers ausgebildet sein Der Querschnitt der ersten Fluidaufnahme 13 entspricht in ihrem an die Rohmembran 2 angrenzenden Bereich im Wesentlichen dem Querschnitt der gegenüberliegenden ersten Vertiefung 7 im Fluidikkörper 6 und verjüngt sich zur Mündung der ersten Fluidleitung 15 hin. Entsprechend entspricht der Querschnitt der zweiten Fluidaufnahme 14 dem Querschnitt der gegenüberliegenden zweiten Vertiefung 8 des Fluidikkörpers 6. Die Querschnitte können beispielsweise jeweils identisch ausgestaltet sein. Zur mechanischen Abstützung der Rohmembran 2 weisen die erste Fluidaufnahme 13 und die zweite Fluidaufnahme 14 jeweils an ihrer zur Rohmembran 2 hin offenen Seite eine gitter- oder netzartige Stützstruktur 18, 19 auf, auf der die Rohmembran 2 aufliegt. Die erste Fluidleitung 15 und die zweite Fluidleitung und/oder der Sammelbehälter 17 sind derart mit einer Pumpe 20 verbunden, dass in den Fluidleitungen 16, 17 bzw. in den damit verbundenen Fluidaufnahmen 13, 14 mittels der Pumpe 20 ein Unterdruck erzeugt werden kann.
Zur Funktionalisierung der Rohmembran 2 im ersten Bereich 3 und im zweiten Bereich 4 kann die Rohmembran 2 mit gleichen oder unterschiedlichen Funktionalisierungsreagenzien imprägniert werden. Im vorliegenden Beispiel wird die Rohmembran 2 im ersten Bereich 3 mit einem ersten Funktionalisierungsreagenz und im zweiten Bereich 4 mit einem davon verschiedenen zweiten Funktionalisierungsreagenz imprägniert. Zur Funktionalisierung des ersten Bereichs 3 für spätere Kalium-Messungen kann das erste Funktionalisierungsreagenz beispielsweise Valinomycin enthalten. Zur Funktionalisierung des zweiten Bereichs 4 für spätere Ammonium-Messungen kann das zweite Funktionalisierungsreagenz Nonactin enthalten. Im Stand der Technik sind eine Vielzahl weiterer lonophore für verschiedenste Ionen bekannt. Zusätzlich kann das Funktionalisierungsreagenz optional ein Leitsalz und/oder einen Weichmacher enthalten.
Zusätzlich können die Funktionalisierungsreagenzien Farbstoffe enthalten. Dies kann zum einen dazu dienen, die funktionalisierten Bereiche optisch voneinander zu unterscheiden. Das Ausbleichen bzw. Auswaschen der Farbstoffe über die Betriebsdauer eines Sensors, in dem die funktionalisierte Membran später verwendet wird, kann dazu dienen eine Alterung der Membran zu überwachen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn ein Farbstoff ausgewählt wird, der sich in gleichem oder entsprechendem Maße auswäscht wie das in der Membran enthaltene lonophor und/oder Leitsalz, so dass das Auswaschen des Farbstoffs ein direktes Maß für das Auswaschen des lonophors bzw. des Leitsalzes ist. Geeignete Farbstoffe können durch Voruntersuchungen angepasst für die jeweils verwendete Kombination von Membran, lonophor, Leitsalz und die zu erwartende Zusammensetzung des Messmediums und Temperaturspezifikation des Sensorelements ermittelt werden.
Das erste Funktionalisierungsreagenz wird über die Zuleitung 9 in den durch die erste Vertiefung 7 und die die erste Vertiefung 7 abschließende Rohmembran 2 gebildeten Fluidraum geleitet und wieder über die Ableitung 9 abgeleitet. Das Funktionalisierungsreagenz dringt in die Rohmembran 2 in ihrem die Vertiefung 7 abdeckenden Bereich 3 ein und gelangt durch die Rohmembran 2 hindurch auch in die erste Fluidaufnahme 13. Zur Unterstützung der Imprägnierung der Rohmembran 2 mit dem ersten Funktionalisierungsreagenz kann mittels der Pumpe 20 ein Unterdruck in der ersten Fluidaufnahme 13 erzeugt werden. In die erste Fluidaufnahme 13 gelangtes Funktionalisierungsreagenz gelangt über die erste Fluidleitung 15 in den Sammelbehälter 17.
Gleichzeitig mit der Imprägnierung der Rohmembran 2 im ersten Bereich 3 oder danach kann die Rohmembran 2 im zweiten Bereich 4 mit dem zweiten Funktionalisierungsreagenz imprägniert werden. Hierzu wird ganz analog wie für die Imprägnierung des ersten Bereichs 3 über die Zuleitung 11 das zweite Funktionalisierungsreagenz in den durch die zweite Vertiefung 8 und die Rohmembran 2 gebildeten Fluidraum eingeleitet und über die Ableitung 12 wieder abgeleitet. Zur Unterstützung des Eindringens des zweiten Funktionalisierungsreagenz in den Bereich 4 der Rohmembran 2 kann in der zweiten Fluidaufnahme 14 mittels der Pumpe 20 ein Unterdruck erzeugt werden. In die zweite Fluidaufnahme 14 gelangtes Funktionalisierungsreagenz wird über die Fluidleitung 16 in den Sammelbehälter 17 abgeleitet.
Im hier dargestellten Beispiel ist die Imprägnierung der Rohmembran 2 in nur zwei verschiedenen Bereichen 3, 4 beschrieben worden. Selbstverständlich ist es mit dem hier beschriebenen Verfahren aber auch möglich, eine beliebige Vielzahl von Bereichen einer Rohmembran zu funktionalisieren. Hierzu kommt entsprechend eine Vorrichtung zum Einsatz, die ganz analog ausgestaltet ist wie die in 1 dargestellte Vorrichtung, wobei im Fluidikkörper eine der gewünschten Vielzahl von zu funktionalisierenden Bereichen entsprechende Anzahl von Vertiefungen mit Zu- und Ableitungen und im Basiskörper eine identische Anzahl von mit einem Auffangbehälter verbundenen Fluidaufnahme gebildet sind.
Es ist auch möglich, den Fluidikkörper aus einer Vielzahl von, insbesondere lösbar, miteinander verbindbaren Fluidikkörper-Modulen und den Basiskörper aus einer Vielzahl von, insbesondere wieder lösbar, miteinander verbindbaren Basiskörper-Modulen zu bilden, wobei in jedem Fluidikkörper mindestens eine Vertiefung mit einer Zuleitung und einer Ableitung und in jedem Basiskörper mindestens eine Fluidaufnahme mit einer darin mündenden Ableitung gebildet ist. Durch diese modulare Bauweise kann die Vorrichtung für die Imprägnierung einer beliebigen Anzahl von Bereichen einer Rohmembran eingerichtet werden.
Die Imprägnierung erfolgt über einen vorgegebenen Zeitraum, der beispielsweise auf Vorversuchen mit dem speziellen Funktionalisierungsreagenz und dem Polymermaterial der Rohmembran basierend vorgegeben sein kann. Nach einem optionalen anschließenden Reinigungs- und ggfs. Trocknungs-/ Nachbehandlungsverfahren kann die so hergestellte modifizierte Membran 2' mit funktionalisierten Bereichen 3 und 4 weiterverarbeitet und zur Herstellung eines Sensorelements verwendet werden, das die quantitative Erfassung mehrerer unterschiedlicher Ionen ermöglicht.
Die Herstellung eines solchen Sensorelements wird im Folgenden anhand der 2a bis 2d beschrieben.
Im ersten Schritt (2a) wird die Membran 2' mit einem ersten funktionalisierten Bereich 3 und einem zweiten funktionalisierten Bereich 4 zum Einbau vorbereitet. Diese Vorbereitung kann beispielsweise, wie hier dargestellt, das Abschneiden der Membran 2' von einem größeren Membranstück 2 umfassen. Selbstverständlich kann die Membran 2' neben den Bereichen 3 und 4 weitere funktionalisierte Bereiche aufweisen.
In einem zweiten Schritt (2b) wird eine Grundplatte 22 zur Verfügung gestellt, in der im hier dargestellten Beispiel eine erste Ableitung 23 und eine zweite Ableitung 24 angeordnet sind. Selbstverständlich können weitere Elektroden vorhanden sein. Die Anzahl der Ableitungen entspricht der Anzahl der Halbzellen, die das herzustellende Sensorelement aufweisen soll. Die Ableitungen 23, 24 sind im vorliegenden Beispiel als Drähte, z.B. als Silberdrähte, ausgestaltet, die jeweils in einem Endabschnitt 25, 26 mit einem Silberhalogenidsalz, z.B. Silberchlorid, beschichtet sind. Die Ableitungen können alternativ auch als Leiterbahnen auf der Grundplatte 22 ausgestaltet sein. Die Grundplatte 22 ist als Leiterkarte, z.B. aus einem faserverstärkten Kunststoff, ausgestaltet. Die Ableitungen 23, 24 sind durch Durchkontaktierungen der Leiterkarte hindurchgeführt und rückseitig, d.h. auf der von dem beschichteten Abschnitt 25, 26 der Ableitungen 23, 24 abgewandten Seite der Grundplatte 22 elektrisch kontaktiert oder kontaktierbar.
In einem dritten Schritt (2c) wird auf der Grundplatte 22 eine Struktur 27 mit einer im Wesentlichen parallel zur Grundplatte 22 verlaufenden Oberfläche erzeugt, in der nach oben offene Vertiefungen ausgebildet sind. Die Vertiefungen weisen einen im Wesentlichen mit dem Querschnitt der funktionalisierten Bereiche 3 und 4 der Membran 2' übereinstimmenden Querschnitt auf. Diese Vertiefungen bilden Kavitäten 28, 29, die die Ableitungen 23, 24 umgeben, so dass im vorliegenden Beispiel die beschichteten Abschnitte 25, 26 der Ableitungen 23, 24 innerhalb der Kavitäten 28, 29 angeordnet sind. Der Querschnitt der Vertiefungen kann auch kleiner sein als der Querschnitt der funktionalisierten Bereiche 3 und 4 der Membran. Die Struktur 27 kann beispielsweise durch Spritzgießen, z.B. unter Umspritzung der in der Grundplatte 22 vorliegenden Ableitungen 23, 24, erzeugt werden. Die Struktur 27 kann aus einem nicht oder vernachlässigbar elektrisch leitfähigen Polymermaterial hergestellt werden. Grundplatte 22 und Struktur 27 können in einer alternativen Ausgestaltung auch aus einer elektrisch isolierenden Keramik hergestellt werden.
Der Abstand jeder Kavität von den weiteren Kavitäten in der Struktur 27 sowie der Abstand jeder Elektrode von den weiteren Elektroden ist so bemessen, dass beim Auflegen der Membran 2' auf der parallel zur Grundplatte 22 verlaufenden Oberfläche der Struktur 27 jeweils ein funktionalisierter Bereich 3, 4 der Membran 2' eine Kavität überdeckt. Im vorliegenden Beispiel mit zwei dargestellten Kavitäten ist also der Abstand zwischen der ersten Kavität 28 von der zweiten Kavität 29 im Wesentlichen gleich groß wie der Abstand zwischen dem ersten funktionalisierten Bereich 3 von dem zweiten funktionalisierten Bereich 4 der Membran 2'.
Im nächsten Schritt (2d) werden die Kavitäten 28, 29 mit einem Elektrolyten 30 befüllt. Vorteilhaft weist der Elektrolyt 30 in allen Kavitäten dieselbe Zusammensetzung auf, es ist jedoch auch möglich, dass die Kavitäten mit Elektrolyten unterschiedlicher Zusammensetzungen befüllt werden. Im vorliegenden Beispiel wird in beide Kavitäten 28, 29 eine wässrige Lösung mit einer hohen KCI-Konzentration eingefüllt. Die Befüllung erfolgt vorzugsweise gasblasenfrei. Der Elektrolyt kann in einer alternativen Ausgestaltung auch durch Zugabe eines Polymers angedickt sein.
Anschließend wird die Membran 2' auf die Oberfläche der Struktur 27 aufgelegt, wie in 2d zu sehen und mittels einer Stützstruktur 31 fixiert. Dabei kommt der erste funktionalisierte Bereich 3 über der ersten Kavität 28 und der zweite funktionalisierte Bereich 4 über der zweiten Kavität 29 zu liegen, so dass die funktionalisierten Bereiche 3, 4 die Kavitäten 28, 29 nach oben hin abschließen. Die Stützstruktur 31 weist durchgehende Öffnungen auf, deren Größe und Abstände so auf die Abstände der Kavitäten und der funktionalisierten Bereiche der Membran 2' abgestimmt sind, dass sie mindestens jeweils einen Teilbereich der funktionalisierten Bereiche freilassen. Vorteilhaft kann ein leichtes Vakuum an die Kavitäten angelegt werden, um die Bildung von Gasblasen in den Kavitäten zu vermeiden. Alternativ kann zur Gewährleistung einer Blasenfreiheit des in den Kavitäten 28, 29 enthaltenen Elektrolyten die Struktur 27 als Ganzes in ein Elektrolytbad eingetaucht, die Membran in dem Elektrolytbad auf die Oberfläche der Struktur 27 aufgetragen und dort verpresst werden. Anschließend kann das so gebildete Sensorelement 32 aus dem Elektrolytbad entnommen und gespült werden.
Das so gebildete Sensorelement 32 umfasst somit zwei oder mehr ionenselektive Elektroden, deren ionenselektive Membranen durch die funktionalisierten Bereiche 3 und 4 der Membran 2' gebildet werden. Zur Ableitung der Halbzellenpotentiale der ionenselektiven Elektroden dienen die in den Innenelektrolyten 30 eintauchenden Ableitungen 23, 24, die von der Rückseite der Grundplatte 22 her kontaktiert werden können.
In einer alternativen Ausgestaltung kann auf ganz ähnliche Weise ein Sensorelement hergestellt werden, das zwei oder mehr ionenselektive Elektroden mit Festableitungen aufweist, d.h. mit Ableitungen, die nicht wie im zuvor beschriebenen Beispiel, über einen Elektrolyten mit den jeweiligen funktionalisierten Bereichen der Membran in Kontakt stehen, sondern über eine elektrisch und/oder ionisch leitfähige feste Verbindung. Hierzu können die einzelnen in 2a bis 2d beschriebenen Herstellungsschritte in gleicher Weise ausgeführt werden wie voranstehend beschrieben. Anstatt mit einer Elektrolytlösung werden die Kavitäten jedoch mit einem elektrisch und/oder ionisch leitfähigen Polymer, beispielsweise einem dotierten intrinsisch leitfähigen Polymer, gefüllt. Die Kavitäten 28, 29 können in dieser Ausgestaltung etwas flacher ausgestaltet sein als in der schematischen Darstellung der 2c und 2d (vgl. 5). Vorteilhaft werden in einer solchen Verfahrensvariante auch die Ableitungen als Leiterbahnen auf der Grundplatte 22 gebildet, die über Durchkontaktierungen elektrisch leitfähig mit Kontaktstellen auf der Rückseite der Grundplatte 22 verbunden sind.
In 3 ist ein Sensor 33 mit dem Sensorelement 32 dargestellt, das im vorliegenden Beispiel auswechselbar an einem Sensorkörper 34 befestigt ist. Hierzu ist das Sensorelement 32 in einer Überwurfmutter 35 fixiert, so dass das Sensorelement 32 und die Überwurfmutter 35 eine auswechselbare Kappe bilden, die mittels einer Schraubverbindung 36 oder einer sonstigen Verbindung an dem Sensorkörper 34 wieder lösbar befestigt werden kann. Der Sensorkörper 34 umfasst ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordnete Sensorschaltung 37, die mit elektrischen Kontakten der Ableitungen 23, 24 elektrisch leitfähig verbunden ist. Die elektrische Kontaktierung zwischen Sensorschaltung 37 und Ableitungen 23, 24 kann beispielsweise mittels eines Steckverbinders 38 erfolgen. Die Sensorschaltung 37 ist drahtlos oder, wie im vorliegenden Beispiel, über elektrische Leitungen 39 mit einer übergeordneten Elektronik (nicht dargestellt), z.B. einem Messumformer oder einem Prozessleitrechner oder einer Steuerung verbunden.
Wie bereits im Zusammenhang mit 2d ausgeführt, bildet jede Kombination aus einem funktionalisierten Bereich 3, 4, der Membran 2', und den mit den Bereichen 3, 4 elektrisch bzw. elektrolytisch leitfähig verbundenen Ableitungen 23, 24 eine als potentiometrische Halbzelle schaltbare ionenselektive Elektrode. Die funktionalisierten Bereiche 3, 4 sind im vorliegenden Beispiel mit unterschiedlichen lonophoren funktionalisiert, so dass die Halbzellenpotentiale der verschiedenen Halbzellen von Konzentrationen unterschiedlicher Ionen in einem die Membran 2' kontaktierenden Messmedium abhängig sind. Beispielsweise kann das an der ersten Ableitung 23 gegen ein Bezugspotential abgreifbare Halbzellenpotential von der Konzentration von Natriumionen in dem Messmedium abhängig sein, während das an der zweiten Ableitung 24 gegen ein Bezugspotential abgreifbare Halbzellenpotential von der Konzentration von Ammoniumionen in dem Messmedium abhängig sein kann.
Die Sensorschaltung 37 ist dazu ausgestaltet, die an den Ableitungen 23, 24 des Sensorelements erfassbaren Halbzellenpotentiale der einzelnen in dem Sensorelement gebildeten Halbzellen gegen ein Bezugspotential zu erfassen. Das Bezugspotential kann durch eine Bezugshalbzelle zur Verfügung gestellt werden, die gleichzeitig mit den im Sensorelement 32 gebildeten Halbzellen mit dem Messmedium in Kontakt gebracht wird. Die Sensorschaltung 37 ist weiter dazu ausgestaltet, für alle Halbzellen jeweils ein Messsignal zu erzeugen, welches eine Potentialdifferenz zwischen einer Halbzelle und der Bezugshalbzelle repräsentiert, und das Messsignal bzw. alle Messsignale an die übergeordnete Elektronik auszugeben. Somit bilden das Sensorelement 32 mit den darin gebildeten Halbzellen, die Bezugshalbzelle und die Sensorschaltung einen potentiometrischen Multianalyt-Sensor, d.h. einen Sensor, mit dem mindestens zwei (wie im vorliegenden Beispiel) oder, je nach Anzahl der in dem Sensorelement 32 gebildeten Halbzellen, eine Vielzahl von Messsignalen erzeugt werden, wobei jedes Messsignal die Konzentration eines bestimmten ionischen Analyten repräsentiert, und verschiedene der Messsignale die Konzentrationen voneinander verschiedener ionischer Analyte repräsentieren.
Die übergeordnete Elektronik kann dazu ausgestaltet sein, anhand der Messsignale Messwerte der Konzentrationen der ionischen Analyte zu ermitteln. Dies kann anhand einer in einem Speicher der übergeordneten Elektronik oder anhand einer in einem Speicher der Sensorschaltung 37 hinterlegten Kalibrierfunktion geschehen. Es ist auch möglich, dass die Messwerte direkt in der Sensorschaltung ermittelt werden.
In dem Sensorelement 32 kann zusätzlich noch ein Temperaturfühler integriert sein (nicht dargestellt), der ebenfalls elektrisch leitend mit der Sensorschaltung 37 verbunden sein kann. Die Sensorschaltung 37 kann dann dazu ausgestaltet sein, ein Temperatur-Messsignal des Temperaturfühlers zu erzeugen und gegebenenfalls an die übergeordnete Elektronik auszugeben. Auf diese Weise ist eine Temperaturkompensation der Konzentrations-Messwerte möglich. Diese kann entweder durch die übergeordnete Elektronik oder durch die Sensorschaltung 37 durchgeführt werden.
Die Bezugshalbzelle kann in das Sensorelement 32 integriert sein (hier nicht sichtbar). In einer alternativ möglichen Ausgestaltung kann die Bezugshalbzelle in einem separaten Gehäuse gebildet sein, das mit dem Gehäuse des Sensorkörpers 34 verbunden oder verbindbar ist. Die Bezugshalbzelle kann beispielsweise als Bezugselektrode zweiter Art, z.B. als Silber/Silberchlorid-Bezugselektrode, ausgestaltet sein. Die Sensorschaltung 37 ist in dieser Ausgestaltung elektrisch leitend mit dem Bezugselement der Bezugshalbzelle verbindbar oder verbunden, um Potentialdifferenzen zwischen dem Bezugselement und den einzelnen Halbzellen des Sensorelements 32 zu erfassen.
In einer vorteilhaften, miniaturisierten Ausgestaltung ist die Bezugshalbzelle in das Sensorelement 32 integriert. Ein Beispiel eines solchen Sensorelements 132 ist in 4 schematisch in einer QuerschnittAnsicht dargestellt. Zu sehen ist ein Querschnitt durch die Struktur 131 des Sensorelements 132, in der im hier gezeigten Beispiel acht hexagnoale, wabenartig angeordnete Kavitäten 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147 gebildet sind. In jeder Kavität 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147 ist eine Ableitung 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154 angeordnet, die von der (nicht in 4 sichtbaren) Rückseite des Sensorelements 132 her elektrisch kontaktierbar sind. Jede Kavität 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147 ist außerdem mit einem, im vorliegenden Beispiel durch ein Polymer angedickten, Elektrolyten gefüllt. Im vorliegenden Beispiel bestehen alle Ableitungen 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154 aus einem Silberdraht, der in einem in die Kavitäten 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147 hineinragenden Abschnitt mit einer Silberchlorid-Beschichtung versehen ist. In den Kavitäten 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146 ist jeweils eine ionenselektive Elektrode gebildet, d.h. die die Kavitäten überdeckenden Bereiche der (in der Querschnitt-Darstellung nicht sichtbaren) Membran sind entsprechend mit einem lonophor funktionalisiert, um jeweils einen bestimmten ionischen Analyten zu erfassen.
In der zentral angeordneten Kavität 146 ist eine Bezugshalbzelle gebildet. Das Bezugselement 154 der Bezugshalbzelle ist wie die übrigen Ableitungen 148, 149, 150, 151, 152, 153 ausgestaltet, nämlich als Silberdraht mit einer Silberchloridbeschichtung in einem in die Kavität 146 hineinragenden Abschnitt. Der die Kavität 146 überdeckende Bereich der Membran ist nicht speziell funktionalisiert, stattdessen weist er eine oder mehrere Poren 155 auf. Die Membran ist in der Querschnittdarstellung in 4 nicht zu sehen, die Poren 155 sind daher gestrichelt angedeutet. Über die Poren 155 steht der innerhalb der Kavität 146 enthaltene Bezugselektrolyt in elektrolytischem Kontakt mit einem die Membran kontaktierenden Messmedium.
Die Herstellung des Sensorelements 132 erfolgt mittels des anhand der 2a-d beschriebenen Verfahrens, wobei sechs Bereiche einer Rohmembran, die dazu bestimmt sind, im zu fertigenden Sensorelement vorgesehene Kavitäten zu überdecken, mittels verschiedener Funktionalisierungsreagenzien funktionalisiert werden. Der zum Bedecken der die Bezugshalbzelle bildenden Kavität bestimmte Bereich wird vor oder nach dem Auflegen der Membran auf die die Kavitäten bildende Struktur perforiert, um die Poren für die Bezugshalbzelle zu erzeugen. Alle anderen Fertigungsschritte werden analog zu dem weiter oben beschriebenen Verfahren durchgeführt.
In 5 ist schematisch in Längsschnitt-Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 233 mit einem Sensorelement 232 dargestellt. Das Sensorelement 232 ist mit einer Überwurfmutter 235 auswechselbar an einem Sensorkörper 234 befestigt. Der Sensorkörper 235 weist ein metallisches Gehäuse auf, in dem eine Sensorschaltung 237 angeordnet ist.
Das Sensorelement 232 umfasst eine Struktur 227, die beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, wie z.B. einem Leiterkartenmaterial, oder aus einer isolierenden Keramik gebildet sein kann, und in deren dem Messmedium 260 zugewandten Vorderseite Vertiefungen angeordnet sind, die flache Kavitäten 228, 229 bilden. Am Grund dieser Kavitäten sind als Leiterbahnen auf der Struktur 227 ausgestaltete elektrisch leitfähige Ableitungen 223, 224 angeordnet. Die Kavitäten 228, 229 sind mit einem intrinsisch leitfähigen Polymer gefüllt, beispielsweise mit PEDOT:PSS, das die Ableitungen 223, 224 überdeckt, so dass ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen den Ableitungen 223, 224 und dem Polymer besteht. Auf der Vorderseite der Struktur 227 ist eine Membran 202 aufgelegt, die einen ersten funktionalisierten Bereich 203 und einen zweiten funktionalisierten Bereich 204 aufweist. Der erste funktionalisierte Bereich 203 umfasst ein erstes lonophor sowie ggfs. ein Leitsalz und/oder einen Weichmacher, die zur Bestimmung eines ersten ionischen Analyten dienen. Der zweite funktionalisierte Bereich 204 umfasst ein von dem ersten lonophor verschiedenes lonophor sowie ggfs. ein Leitsatz und/oder einen Weichmacher, die zur Bestimmung eines zweiten ionischen Analyten dienen. Das leitfähige Polymer in den Kavitäten 228, 229 berührt die die Kavitäten 228, 229 überdeckenden funktionalisierten Bereiche 203, 204 auf ihrer Rückseite, so dass die Ableitung 223 mit dem ersten funktionalisierten Bereich 203 in elektrisch leitfähigem Kontakt steht und die Ableitung 224 mit dem zweiten funktionalisierten Bereich 204 in elektrisch leitfähigem Kontakt steht.
Die Ableitungen 223, 224 sind über Durchkontaktierungen in der Struktur 227 mit Kontaktstellen auf der Rückseite der Struktur 227 verbunden. Die Kontaktstellen sind ihrerseits mit Eingängen der Sensorschaltung 237 elektrisch leitfähig verbunden. Ein weiterer Eingang der Sensorschaltung 237 ist elektrisch leitfähig mit einer Gehäuseaußenseite des metallischen Gehäuses des Sensorkörpers 234 verbunden, die im Messbetrieb mit dem Messmedium 260 in Kontakt steht. Die Sensorschaltung 237 ist über eine Kabelverbindung 239 mit einer weiteren Datenverarbeitungseinheit, z.B. einem Messumformer, zur Kommunikation verbunden, um Messsignale an die weitere Datenverarbeitungseinheit auszugeben. Die Sensorschaltung 237 kann außerdem über die Kabelverbindung 239 mit Energie versorgt werden.
Ein sich durch Wechselwirkung des ersten lonophors mit einem in dem Messmedium 260 enthaltenen ersten ionischen Analyten einstellendes Halbzellenpotential kann die Sensorschaltung 237 über die erste Ableitung 223 erfassen, ein sich durch Wechselwirkung des zweiten lonophors mit in dem Messmedium 260 enthaltenen zweiten ionischen Analyten einstellendes Halbzellenpotential kann die Sensorschaltung entsprechend über die zweite Ableitung 224 erfassen. Als Bezugspotential dient der Sensorschaltung 237 im hier gezeigten Ausführungsbeispiel das sich in Kontakt des metallischen Gehäuses 234 mit dem Messmedium 260 einstellendes Pseudoreferenzpotential. Die erfassten Potentialdifferenzen wandelt die Sensorschaltung 237 in Digitalsignale um und gibt diese über die Kabelverbindung 239 an die weitere Datenverarbeitungseinheit aus. Diese bestimmt aus den Digitalsignalen Messwerte der Konzentrationen des ersten und zweiten Analyten.
Das Sensorelement 232 umfasst zusätzlich einen Temperaturfühler 262, der in einen zwischen den Kavitäten 228, 229 angeordneten Steg der Struktur 232 eingelassen ist. Dieser Temperaturfühler 262 ist mit der Sensorschaltung 237 verbunden, die weiter dazu ausgestaltet ist, das von dem Temperaturfühler 262 ausgegebene Messsignal an die verbundene weitere Datenverarbeitungseinheit auszugeben. Das Temperaturmesssignal bzw. einen daraus abgeleiteten Temperaturmesswert dient der weiteren Datenverarbeitungseinheit zur Temperaturkompensation der Konzentrationsmesswerte des ersten und zweiten Analyten.
Wie bei dem zuvor anhand von 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel kann auch das Sensorelement 232 des vorliegenden Beispiels mehr als zwei ionenselektive Elektroden mit Festableitung umfassen, um entsprechend eine Vielzahl unterschiedlicher lonenkonzentrationen als Messgrößen zur Verfügung zu stellen.
In 6 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 332 in Längsschnittdarstellung zu sehen. Das Sensorelement 332 umfasst eine Grundplatte 322, bei der es sich beispielsweise um eine herkömmliche Leiterkarte handeln kann. Auf der Grundplatte sind Leiterbahnen angeordnet, die dem Sensorelement als Ableitungen 323, 324 dienen, und die mit Kontaktstellen auf der Rückseite der Leiterkarte verbunden sind.
Auf der Grundplatte 322 ist eine geschlossene Polymerschicht 364 angeordnet, die einzelne dotierte Bereiche 365, 366 aufweist, in denen die Polymerschicht 364 eine gegenüber den anderen Bereichen der Polymerschicht 364 wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die Polymerschicht 364 kann beispielsweise aus einem intrinsisch leitfähigen Polymer gebildet sein, die in den dotierten Bereichen mit einem Dotant, welches weitere Ladungsträger liefert, dotiert ist. Auf der Polymerschicht 364 ist eine Polymermembran 302, beispielsweise aus PVC, angeordnet. Die Polymermembran 302 weist funktionalisierte Bereiche 303, 304 auf, die jeweils mit einem der dotierten Bereiche 365, 366 in Kontakt stehen. Die funktionalisierten Bereiche 303, 304 umfassen jeweils mindestens ein lonophor oder eine als lonophor dienende funktionelle Gruppe, dessen bzw. deren Wechselwirkung mit einem ionischen Analyten zur Ausbildung eines von der Konzentration des Analyten in einem Messmedium abhängigen Halbzellenpotentials führt. Die Ableitungen 323 und 324 sind somit über die dotierten Bereiche 365, 366 der Polymerschicht 364 in elektrisch leitendem Kontakt mit den funktionalisierten Bereichen 303, 304 der Polymermembran 302 und können so zur Erfassung der Halbzellenpotentiale gegenüber einem Bezugspotential dienen. Das Sensorelement 332 kann wie in den Beispielen der 3 oder 5 dargestellt, mit einem Sensorkörper verbunden werden, der eine mit den Ableitungen 323 und 324 verbindbare Sensorschaltung aufweist.
Die Membran kann mit der darunterliegenden, die Ableitungen tragenden Struktur durch eine geeignete form- oder stoffschlüssige Verbindungstechnik, z.B. Klemmen, Schweißen oder Kleben, fest verbunden werden.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 432 in einer Querschnitt-Darstellung gezeigt, das mit einem eine Sensorschaltung beinhaltenden Sensorkörper, wie beispielsweise in 3 oder 5 dargestellt, zur Bildung eines Multiparametersensors mit einer Vielzahl von ionenselektiven Elektroden zur Messung unterschiedlicher Messgrößen als Messhalbzellen verbindbar ist. Das Sensorelement 432 umfasst eine Struktur 427, in der fünf hexagonale Kavitäten 440, 441, 442, 443, 444 gebildet sind. Die 7 zeigt einen Querschnitt durch die Struktur 432.
Innerhalb jeder der Kavitäten 440, 441, 442, 443, 444 ist eine Ableitung 448, 449, 450, 451, 452, beispielsweise jeweils in Form eines Drahtes oder in Form einer Leiterbahn angeordnet, die elektrisch leitfähig mit auf der Rückseite der Struktur 427 angeordneten Kontaktstellen (nicht sichtbar) verbunden sind. Die Kavitäten 440, 441, 442, 443, 444 sind mit einem Elektrolyten oder mit einem leitfähigen Polymer gefüllt, so dass die Ableitungen 448, 449, 450, 451, 452 in der weiter oben beschriebenen Weise elektrisch oder elektrolytisch leitend mit einer die Kavitäten verschließenden Membran (nicht sichtbar) verbunden sind. Die Membran weist wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen funktionalisierte Bereiche auf, wobei jeweils einer die funktionalisierten Bereiche jeweils eine der Kavitäten 440, 441, 442, 443, 444 überdeckt, so dass durch jede Kombination aus einer Ableitung und einem funktionalisierten Bereich der Membran eine ionenselektive Elektrode gebildet wird.
In der Struktur 427 ist ein Temperaturfühler 462 eingebettet, der ebenfalls von der Rückseite der Struktur 427 her kontaktierbar und mit der Sensorschaltung verbindbar ist. Weiter sind in der Struktur vier metallische Hilfselektroden 471, z.B. aus einem Edelmetall wie Gold, Silber, Kupfer oder Platin, eingebettet. Idealerweise lässt die Struktur 427 nur eine stirnseitige Fläche der eingebetteten Hilfselektroden 471 frei, so dass die Elektroden ohne Erhebungen, Kanten oder Spalte in die dem Messmedium zugewandte Oberfläche der Struktur 471 eingebettet sind.
Die auf der Struktur 427 aufliegende Membran (in der Schnittdarstellung der 7 nicht zu sehen) ist mit dieser durch eine stoffschlüssige Verbindung, z.B. Kleben oder Schweißen, verbunden, so dass kein Messmedium zwischen die Membran und die Struktur 427 und damit in die Kavitäten 440, 441, 442, 443, 444 eindringen kann. Die Membran bedeckt im hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Oberfläche der Struktur 427 nicht vollständig, sondern lässt die Hilfselektroden 471 frei, dies ist durch die in 7 dargestellte Linie 472 angedeutet, die den Verlauf des Rands der Membran veranschaulicht. Die Ableitungen 448, 449, 450, 451, 452 sowie die Hilfselektroden 471 sind elektrisch leitend mit der Sensorschaltung verbindbar.
Die Hilfselektroden 471 können als Pseudoreferenzelektroden dienen, die ein Bezugspotential für die Erfassung der Halbzellenpotentiale an den Ableitungen 448, 449, 450, 451, 452 zur Verfügung stellen. Die Sensorschaltung ist entsprechend dazu ausgestaltet, die Potentialdifferenzen zwischen jeder Ableitung und einer der Hilfselektroden 471 als Maß für die Konzentrationen verschiedener Analytionen zu erfassen. Mittels des Messsignals des Temperaturfühlers 462 kann die Sensorschaltung oder eine mit dieser verbundene Einrichtung zur weitergehenden Messwertverarbeitung eine Temperaturkompensation der Messwerte der lonenkonzentrationen durchführen.
Zusätzlich ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Sensorschaltung dazu ausgestaltet, eine vorgegebene Spannung zwischen einer oder mehreren der Hilfselektroden 471 und einer oder mehreren der Ableitungen 448, 449, 450, 451, 452, insbesondere allen Ableitungen 448, 449, 450, 451, 452, anzulegen. Dies erfolgt in einem intermittierend zwischen zwei Phasen (Zeiträumen) eines Messbetriebs, in dem Potentialdifferenzen zwischen den Hilfselektroden 471 und den Ableitungen 448, 449, 450, 451, 452 erfasst und daraus Messwerte ermittelt werden, durchgeführten Regenerationsbetrieb, in dem zur Kompensation von Polarisationseffekten, die im Messbetrieb auftreten können, durch Anlegen der vorgegebenen Spannung ein regenerierender Stromfluss zwischen den Ableitungen 448, 449, 450, 451, 452 und den Hilfselektroden 471 erzeugt wird.
Die Hilfselektroden 471 können zusätzlich zur Durchführung von Leitfähigkeitsmessungen verwendet werden. Zu diesem Zweck kann die Sensorschaltung dazu ausgestaltet sein, an zwei der Hilfselektroden 471 eine Wechselspannung anzulegen und in das die Elektroden berührende Messmedium einzuprägen und über die zwei weiteren Hilfselektroden den Spannungsabfall in dem Messmedium zu erfassen. Die Sensorschaltung oder eine mit der Sensorschaltung verbundene weitergehende Messsignalverarbeitung kann außerdem dazu ausgestaltet sein, anhand des Signals des Temperaturfühlers 462 eine Temperaturkompensation der Leitfähigkeitsmesswerte durchzuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2284531 A1 [0007, 0008]

Claims

Sensorelement umfassend: - eine Membran, insbesondere eine Polymermembran, welche einen ersten funktionalisierten Bereich und einen zweiten funktionalisierten Bereich aufweist, und - einen Sensorelementkörper, auf welchem die Membran aufliegt, wobei der Sensorelementkörper mindestens eine elektrisch leitfähige erste Ableitung und eine von der ersten Ableitung getrennte, insbesondere gegenüber der ersten Ableitung elektrisch isolierte, elektrisch leitfähige zweite Ableitung aufweist, und wobei die erste Ableitung mit dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähig verbunden ist, und wobei die zweite Ableitung mit dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähig verbunden ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei der erste funktionalisierte Bereich in der Membran enthaltene erste Moleküle oder an die Membran gebundene erste funktionelle Gruppen umfasst, welche mit einem ersten Analyten in physikalische oder chemische Wechselwirkung treten, und wobei der zweite funktionalisierte Bereich in der Membran enthaltene zweite Moleküle oder an die Membran gebundene zweite funktionelle Gruppen umfasst, welche mit einem von dem ersten Analyten verschiedenen zweiten Analyten in physikalische oder chemische Wechselwirkung treten.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Sensorelementkörper eine Oberfläche aufweist, auf der eine Polymerschicht angeordnet ist, wobei die Polymerschicht mindestens einen elektrisch und/oder ionisch leitfähigen ersten Teilbereich und einen elektrisch und/oder ionisch leitfähigen zweiten Teilbereich aufweist, und wobei die Membran auf der Polymerschicht aufliegt, und der erste Teilbereich der Polymerschicht den ersten funktionalisierten Bereich der Membran berührt und der zweite Teilbereich der Polymerschicht den zweiten funktionalisierten Bereich der Membran berührt.
Sensorelement nach Anspruch 3, wobei der erste und der zweite Teilbereich der Polymerschicht aus einem dotierten, intrinsich leitfähigen Polymer gebildet ist.
Sensorelement nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Teilbereich der Polymerschicht gegenüber dem zweiten Teilbereich der Polymerschicht elektrisch isoliert ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Polymerschicht durch mindestens zwei inselförmige, voneinander getrennte und gegeneinander elektrisch isolierte Schichtelemente aus einem elektronisch und/oder ionisch leitfähigen Polymer gebildet ist, wobei ein erstes inselförmiges Schichtelement den ersten Teilbereich der Polymerschicht bildet, und ein zweites inselförmiges Schichtelement den zweiten Teilbereich der Polymerschicht bildet.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Polymerschicht als geschlossene Polymerschicht aus einem intrinsisch leitfähigen Polymer gebildet ist, die in dem ersten Teilbereich und in dem zweiten Teilbereich dotiert ist, so dass sie im ersten Teilbereich elektronisch und/oder ionisch leitfähig ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 oder 6, wobei der Sensorelementkörper eine im Wesentlichen plane Oberfläche aufweist, in der mindestens zwei, voneinander getrennte Kavitäten bildende, Vertiefungen ausgebildet sind, wobei die Membran gegen die im wesentlichen plane Oberfläche des Sensorelementkörpers anliegt und die Kavitäten verschließt, und wobei eine erste der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich des ersten funktionalisierten Bereichs der Membran und eine zweite der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich des zweiten funktionalisierten Bereichs der Membran überdeckt wird.
Sensorelement nach Anspruch 8, weiter umfassend ein die erste Kavität ausfüllendes, den ersten funktionalisierten Bereich der Membran rückseitig berührendes erstes elektronisch und/oder ionisch leitfähiges Polymer, ein die zweite Kavität ausfüllendes, den zweiten funktionalisierten Bereich der Membran rückseitg berührendes zweites elektronisch und/oder ionisch leitfähiges Polymer, wobei die erste Ableitung in Kontakt mit dem ersten Polymer steht und die zweite Ableitung in Kontakt mit dem zweiten Polymer steht, und wobei die erste und die zweite Ableitung jeweils mit einer außerhalb der Kavität angeordneten elektrischen Kontaktierungsstelle, insbesondere mit einem elektrischen Steckverbinderelement, elektrisch leitend verbunden sind.
Sensorelement nach Anspruch 9, weiter umfassend einen in der ersten Kavität enthaltenen, den ersten funktionalisierten Bereich der Membran rückseitig berührenden ersten Innenelektrolyten, einen in der zweiten Kavität enthaltenen, den zweiten funktionalisierten Bereich der Membran rückseitig berührenden zweiten Innenelektrolyten, wobei die erste Ableitung in Kontakt mit dem ersten Innenelektrolyten steht, und die zweite Ableitung in Kontakt mit dem zweiten Innenelektrolyten steht, und wobei die erste und die zweite Ableitung jeweils mit einer außerhalb der Kavität angeordneten elektrischen Kontaktierungsstelle, insbesondere mit einem elektrischen Steckverbinderelement, elektrisch leitend verbunden sind.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die erste und die zweite Ableitung mindestens einen als Leiterbahn auf der Oberfläche des Sensorelementkörpers ausgestalteten Abschnitt aufweisen, welcher mit der Polymerschicht in Kontakt steht, und elektrisch leitend mit einer Kontaktstelle auf einer von der Membran abgewandten Seite des Sensorelementkörpers verbunden ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiter umfassend eine Stützstruktur, wobei die Membran zwischen der Oberfläche des Sensorelementkörpers und der gegen eine von der Oberfläche des Sensorelementkörpers abgewandte Membranrückseite anliegenden Stützstruktur befestigt ist, und wobei die Stützstruktur Bereiche der Membran, welche Kavitäten überdecken, mindestens teilweise freilässt.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Sensorelementkörper eine Vielzahl von elektronisch leitfähigen, gegeneinander elektrisch isolierten Ableitungen aufweist, wobei die Membran eine Vielzahl von funktionalisierten Bereichen umfasst, und wobei jeder der funktionalisierten Bereiche elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähig mit jeweils einer der Ableitungen verbunden ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Membran, insbesondere in den funktionalisierten Bereichen, einen Farbstoff umfasst.
Sensor, umfassend: ein Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, und einen Sensorkörper, wobei der Sensorkörper ein mit dem Sensorelement, insbesondere wieder lösbar, verbundenes Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordnete Sensorschaltung umfasst, wobei die Sensorschaltung elektrisch leitend mit der ersten Ableitung und der zweiten Ableitung und mit einer Bezugshalbzelle verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, anhand einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Ableitung und der Bezugshalbzelle ein von einer Konzentration eines ersten Analyten in einem das Sensorelement berührenden Messmedium abhängiges erstes Messsignal zu erzeugen und anhand einer Potentialdifferenz zwischen der zweiten Ableitung und dem Bezugselement ein von einer Konzentration eines zweiten Analyten in dem Messmedium abhängiges zweites Messsignal zu erzeugen.
Sensor nach Anspruch 15, wobei die Sensorschaltung weiter dazu ausgestaltet ist, intermittierend von einem Messbetrieb, in dem die Sensorschaltung Messsignale erzeugt, in einen Regenerationsbetrieb versetzt zu werden, wobei die Sensorschaltung dazu eingerichtet ist, im Regenerationsbetrieb zwischen dem Bezugselement oder einer zusätzlichen Hilfselektrode und der ersten und/oder der zweiten Ableitung eine vorgegebene Spannung anzulegen.
Sensor nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Membran, insbesondere in den funktionalisierten Bereichen, einen Farbstoff umfasst, welcher so ausgewählt ist, dass er in Kontakt mit dem Messmedium aus der Membran ausgewaschen wird, und wobei der Sensor weiter einen optischen Messaufnehmer umfasst, der dazu ausgestaltet ist Messstrahlung in die Membran einzustrahlen, wobei die Messstrahlung in der Membran durch Wechselwirkung mit dem Farbstoff gewandelt wird, und wobei der optische Messaufnehmer weiter dazu ausgestaltet ist, die gewandelte Messstrahlung zu erfassen und in ein Messsignal zu wandeln, und wobei die Sensorschaltung dazu ausgestaltet ist, anhand des Messsignals des optischen Messaufnehmers ein Alter oder einen Zustand des Sensorelements zu ermitteln und/oder eine Vorhersage über die verbleibende Lebensdauer des Sensorelements zu treffen.
Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements, umfassend: - Herstellen einer Membran, insbesondere einer Polymermembran, welche mindestens einen ersten funktionalisierten Bereich und einen zweiten funktionalisierten Bereich aufweist; - Herstellen eines Sensorelementkörpers, welcher mindestens eine elektrisch leitfähige erste Ableitung und eine von der ersten Ableitung getrennte, insbesondere gegenüber der ersten Ableitung elektrisch isolierte, elektrisch leitfähige zweite Ableitung aufweist; und - Verbinden der ersten Ableitung mit dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran und der zweiten Ableitung mit dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran mittels einer elektrisch und/oder elektrolytisch leitfähigen Verbindung.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Herstellen der Membran umfasst: - Imprägnieren einer Rohmembran in einem ersten Bereich mit einem ersten Funktionalisierungsreagenz, insbesondere einem ein erstes lonophor umfassenden Funktionalisierungsreagenz, zur Bildung des ersten funktionalisierten Bereichs, und - Imprägnieren der Rohmembran in einem zweiten Bereich mit einem zweiten Funktionalisierungsreagenz, insbesondere einem ein zweites lonophor umfassenden Funktionalisierungsreagenz, zur Bildung des zweiten funktionalisierten Bereichs.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Rohmembran zum Imprägnieren der Rohmembran in dem ersten Bereich und in dem zweiten Bereich in einer Mikrofluidikstruktur angeordnet wird, welche einen ersten Fluidraum aufweist, der durch den ersten Bereich der Rohmembran verschlossen wird, und einen zweiten Fluidraum aufweist, der durch den zweiten Bereich der Rohmembran verschlossen wird, und wobei das erste Funktionalisierungsreagenz durch den ersten Fluidraum zur Rohmembran geleitet wird und wobei das zweite Funktionalisierungsreagenz durch den zweiten Fluidraum zu Rohmembran geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Mikrofluidikstruktur einen Fluidikkörper umfasst, welcher eine im wesentlichen plane Oberfläche aufweist, die gegen eine Vorderseite der Rohmembran anliegt, und in welcher eine erste, den ersten Fluidraum bildende Vertiefung und eine zweite, den zweiten Fluidraum bildende Vertiefung gebildet sind, und wobei die Mikrofluidikstruktur einen Basiskörper mit einer im wesentlichen planen Oberfläche umfasst, welche gegen eine Rückseite der Rohmembran anliegt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Basiskörper eine erste Fluidaufnahme oder eine erste Flüssigkeitsableitung umfasst, welche mindestens von einem Teilbereich des ersten Bereichs der Rohmembran abgedeckt wird, und wobei der Basiskörper eine zweite Fluidaufnahme oder eine zweite Flüssigkeitsableitung umfasst, welche mindestens von einem Teilbereich des zweiten Bereichs der Rohmembran abgedeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei das Herstellen des Sensorelementkörpers umfasst: - Aufbringen einer Polymerschicht auf einer mindestens einen ersten und einen zweiten Leiter als erste und zweite Ableitung aufweisenden Oberfläche eines Grundkörpers; - Dotieren der Polymerschicht in einem ersten Teilbereich, welcher den ersten Leiter mindestens teilweise abdeckt, und in einem von dem ersten Teilbereich getrennten zweiten Teilbereich, welcher den zweiten Leiter mindestens teilweise abdeckt; - Auflegen der Membran auf die Polymerschicht derart, dass der erste Teilbereich von dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird und dass der zweite Teilbereich von dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei das Herstellen des Sensorelementkörpers umfasst: - Aufbringen einer Polymerschicht, die aus mindestens zwei inselförmigen, voneinander getrennten und gegeneinander elektrisch isolierten Schichtelementen aus einem elektrisch und/oder ionisch leitfähigen Polymer gebildet wird, auf einer mindestens einen ersten und einen zweiten Leiter als erste und zweite Ableitung aufweisenden Oberfläche eines Grundkörpers, wobei ein erstes inselförmiges Schichtelement mit dem ersten Leiter in Kontakt steht, und ein zweites inselförmiges Schichtelement mit dem zweiten Leiter in Kontakt steht; und - Auflegen der Membran auf die Polymerschicht derart, dass das erste inselförmige Schichtelement von dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird und dass das zweite inselförmige Schichtelement von dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran überdeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei das Herstellen des Sensorelementkörpers umfasst: - Erzeugen einer mindestens eine erste und eine zweite Kavität bildenden Struktur auf einer Grundplatte, insbesondere mittels 3D-Druck oder Spritzguss.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Verbinden der ersten Ableitung mit dem ersten funktionalisierten Bereich der Membran und der zweiten Ableitung mit dem zweiten funktionalisierten Bereich der Membran umfasst: - Füllen der Kavitäten mit einem insbesondere flüssigen Innenelektrolyten oder mit einem elektrisch und/oder ionisch leitfähigen Polymer; und - Verschließen der Kavitäten durch die gegen die im Wesentlichen plane Oberfläche anliegende Membran, wobei eine erste der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich des ersten funktionalisierten Bereichs der Membran und eine zweite der Kavitäten mindestens von einem Teilbereich des zweiten funktionalisierten Bereichs der Membran überdeckt wird.